Воздушное лазерное сканирование

Лазерное сканирование, или лидарная съемка, это технология, позволяющая создать цифровую 3D-модель объекта на основе набора (облака) точек с определенными пространственными координатами. Для их получения используется лазерный сканер, который в процессе съемки записывает для каждой точки координаты (XYZ) и численный показатель интенсивности отраженного сигнала. Он зависит от свойств поверхности, на которую визируется лазерный луч.

Например, при лазерном сканировании леса, на каждой линии визирования луч пересекает препятствия, в результате чего отражается часть импульса. Первый отклик может быть получен за счет отражений от опор ЛЭП, следующий — от листвы дерева, и, наконец, последний, как правило, соответствует точке земля или другой поверхности, представляющей абсолютное препятствие для лазерного импульса.

Лазерное сканирование может выполняться с земли с перестановкой сканера. Это метод (НЛС, или наземное лазерное сканирование) применяется в закрытых наземных объектах небольшой площади (тоннели, пещеры). Он имеет малую производительность. Также ограниченно используется мобильное сканирование (МЛС) — съемка в непрерывном режиме с движущегося по земле или воде транспорта. Она не позволяет снять крыши и многие другие высотные объекты.

Наиболее широкое распространение получил метод ВЛС — воздушное лазерное сканирование с БПЛА, вертолетов, самолетов. По сравнению с обычной аэрофотосъемкой он дает точечную модель более высокой точности, а также способен отобразить детали рельефа даже под густым лесным массивом.

ВЛС применяется для картографирования линейных и площадных объектов в масштабах 1:500–1:5000. Его производительность составляет до 800 км съемки в день при ширине полосы в 2–3 км. Детальность отрисовки составляет 20–50 см, при этом воздушное лазерное сканирование дает точность в 5-8 см. Большинство современных моделей лазерных сканеров имеют встроенную видео- или фотокамеру, благодаря чему облако точек может быть окрашено в реальные цвета.

Лазерная сканирующая система состоит из нескольких элементов:

• лазерный сканер (работает как дальномер с разверткой на углы в одной плоскости);
• БИНС — бесплатформенная инерциальная навигационная система (служит для внешнего ориентирования и позиционирования);
• приемник ГЛОНАСС-GPS для определения положения сканера в пространстве;
• система записи данных и управления съемкой;
• видеокамеры, тепловизоры, другие сенсоры: ИК, УФ — для уточнения полученных данных.

Скорость съемки современных лазеров достигает 1 000 000 точки в секунду. Измерение расстояний основано на учете времени прохождения лазерного луча и внешнего положения всей системы. Полученные результаты настолько точны, что позволяет буквально «видеть» и измерять такие мелкие предметы, как, например, ручка двери, изолятор на линии ЛЭП и тому подобные объекты.

Среди воздушных носителей лазерного оборудования самым удобными и экономичными считаются беспилотные летальные аппараты. Лазерное сканирование дроном стало идеальным решением для обеспечения сверх детальных трехмерных покрытий любых территорий, включая городские массивы.

Преимущества БПЛА

• Точный контроль пилотажа с применением комплекса INS/GPS.
• Высокая маневренность, легкость управления с помощью джойстиков.
• Несколько режимов пилотирования: автоматический полет, «зависание», ручное управление.
• Высокая точность и детальность получаемых цифровых данных.
• Простота транспортировки на место проведения работ.
• Отсутствие необходимости в аэродромах, взлетных полосах.
• Возможность применения в любых метеоусловиях, ночью.
• Определение местоположения и формы объектов сложной структуры.
• Высокая производительность и низкая стоимость работ.

Мощный толчок к развитию лазерного сканирования с беспилотников определило создание лазерных сканеров небольшого веса от 1,5 до 3 кг. Дополнительно дроны оснащаются фото-, многозональными камерами, компактными тепловизорами и гиперспектральными сканерами.

Сфера применения данных воздушного лазерного сканирования с БПЛА очень широка: от сельского хозяйства и проектирования в строительстве до геодезии и маркшейдерских работ. ВЛС успешно выполняет задачи изучения природных и промышленных территорий, которые ранее решались по более высокой цене и при более длительных циклах работ. Метод показал свою эффективность в следующих отраслях хозяйственной деятельности:

• инженерно-топографические изыскания в строительстве;
• автодорожная и железнодорожная отрасль;
• документирование чрезвычайных ситуаций;
• производство горных работ, маркшейдерия;
• лесоустройство и таксация;
• построение моделей городских территорий;
• управление водными ресурсами и прибрежными территориями;
• нефтегазовая промышленность.

В настоящее время большая часть картографической информации о территориях устарела, так как ее сбор и комплексный анализ проводился в 80- годы прошлого века. Воздушная лазерная съемка с БПЛА позволяет получить актуальные данные, необходимые для текущего планирования градостроительства, землепользования и ресурсопользования.

Схема применения ВЛС для решения хозяйственных задач.

Для выполнения работ в сфере крупномасштабного картирования территорий и создания трехмерных моделей местности и рельефа требуется комплекс навыков: от организации и планирования полетов до знания геодезии и САПР, а также необходимая материально-техническая база и специальное программное обеспечение. В организации работ модно выделить четыре основных этапа.

Организационный:

• оформление разрешений на проведение полетов;
• подготовка сканирующей системы;
• организация сети базовых станций Глонасс;
• оборудование БПЛА необходимыми приборами.
• составление плана полетов и разработка режимов съемки.

Съемочный:

• настройка и калибровка системы: лазерного сканера, фотокамер;
• инициализация оборудования в навигационной системе и ГЛОНАСС-GPS;
• плановые полеты и сбор данных для построения облака точек;
• сбор информации с бортовых накопителей и наземных станций;
• предварительная оценка полноты и качества полученной информации.

Статистический:

• уточнение траектории движения сканера, координат и углов разворота;
• расшифровка и привязка ТЛО (точек лазерного отражения) к земной поверхности;
• построение матрицы высот с использованием метода интерполяции;
• перенос данных в систему графической обработки.

Камеральный:

• классификация и сегментация ТЛО;
• расчет высоты объектов, определение уровня земной поверхности;
• построение цифровой модели рельефа по точкам лазерных отражений класса «Земля»;
• создание ортофотоплана, нанесение контуров и границ объектов;
• построение цифровой модели рельефа (ЦМР);
• отображение высот ТЛО и форм рельефа на плане;
• уточнение плана и оценка его точности;
• создание тематических ГИС-слоев, предусмотренных проектом.

Конечный результат определяется поставленной задачей и плановой точностью проведения лазерного сканирования с беспилотника. Как правило, лидарные данные дополняются результатами дешифрирования аэрофотоснимков, используются для создания высотной части плана и получения количественных характеристик объектов.

Аэрофотосъемка с беспилотников (самолетов и мультироторных судов) используется как основной метод создания цифровых топографических карт крупного масштаба. БПЛА оснащены профессиональными геодезическими приемниками L1/L2 GNSS RTK/PPK (определяют центр фотографирования до 3 см). Фотограмметрическая обработка данных производится в автоматическом режиме и на выходе дает:

• детализированные цифровые модели ландшафта и рельефа;
• плотное облако точек, позволяющее выделить на земной поверхности отдельные объекты: растительные массивы, здания, сооружения, дороги;
• возможность построения 3D-моделей.

АФС существенно снижает расходы на создание топографических планов, сокращая объемы полевых работ и срок их проведения. За один полетный день квадракоптер способен заснять около 40 га площадей, а при необходимости для аэрофотосъемки привлекаются самолеты, производительность которых достигает 400 га/день.

Сделанные фотографии обрабатываются в камеральных условиях с применением специального ПО. В результате выдается ортофотоплан высокого разрешения и цифровая модель местности с привязкой к выбранной системе координат.

Чтобы заказать услуги аэрофотосъемки местности в «Сервис Гео», достаточно обратиться в компанию по телефону и поставить задачу в самом общем виде. Квалифицированные опытные специалисты расскажут, какие материалы им потребуются для проведения съемки, оценят коммерческую составляющую проекта. Окончательная цена определяется в процессе составления технического здания, спецификации и сметы работ.